Wärmepumpe und Solarthermie kombinieren: Heizkosten sparen

Um eine Erdwärmepumpe effizient betreiben zu können, ist eine Tiefenbohrung nötig. So kann dem Erdreich Wärme entzogen werden. Foto: Bundesverband Geothermie/ Tracto-Technik Foto: Bundesverband Geothermie/ Tracto-Technik

Die in Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser enthaltene Umweltwärme kann für die Beheizung eines Gebäudes genutzt werden – dazu muss sie allerdings auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Das geschieht in der Wärmepumpe: Ein Kältemittel nimmt die Umweltenergie auf und ändert dadurch den Aggregatszustand von flüssig auf gasförmig. Dieses Gas wird von einem Kompressor verdichtet, wodurch die Temperatur ansteigt. Anschließend wird das Kältemittel wieder verflüssigt und die Wärme abgegeben. Mit einem Kilowatt Strom als Antriebsenergie kann eine Wärmepumpe rund drei bis fünf Kilowatt kostenloser Umweltwärme für die Beheizung nutzbar machen. Dadurch arbeiten Wärmepumpen sehr effizient und kostengünstig.

Solarkollektoren sammeln Sonnenwärme ein und machen sie für Heizzwecke nutzbar. Foto: Buderus

Solarthermische Kollektoren absorbieren die im Sonnenlicht enthaltene Energie und wandeln sie in Wärme für die Heizung und Brauchwassererwärmung um. Die Wärme kann entweder direkt verbraucht oder in einem Pufferspeicher gespeichert werden.

Eine Kombination aus Wärmepumpe und solarthermischer Anlage lässt sich auf unterschiedliche Weise realisieren:

Variante 1: Solaranlage befüllt Pufferspeicher, Wärmepumpe springt an kalten Tagen ein

Die einfachste Kombination ist die Unterstützung der Wärmepumpe durch Einspeisung der Solarwärme in den Pufferspeicher. Immer dann, wenn die Sonne scheint, muss die Wärmepumpe weniger oder gar nicht arbeiten. Nur an kalten Tagen, wenn die Energie aus dem Solarspeicher aufgebraucht ist, wird die Wärme durch die Wärmepumpe produziert.

Variante 2: Sonnenkraft erwärmt Erdreich und speichert die Wärme für den Winter

Die Solarwärme kann aber auch zur Unterstützung der Wärmepumpe genutzt werden. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten: So kann bei einer Erdwärmepumpe die überschüssige Solarwärme in die Erde geleitet und so für den Winter gespeichert werden. Das Erdreich speichert diese Wärme über viele Monate, so dass die Wärmepumpe diese im Winter wieder entnehmen und so effizient nutzen kann.

Variante 3: Quelltemperatur für Wärmepumpe mit Sonnenkollektoren erhöhen

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Dachkollektoren zu nutzen, um die Quelltemperatur für die Wärmepumpe zu erhöhen. Selbst im Winter, wenn die Kollektortemperatur nur ein paar Grad höher als die Außenluft ist, erhöht das den Wirkungsgrad der Wärmepumpe.

Variante 4: Wärmepumpe bedient sich aus großem Pufferspeicher

Eine dritte Variante besteht darin, dass die Wärmepumpe ausschließlich durch den Solarspeicher beziehungsweise die Solarkollektoren bedient wird. Der Vorteil auch hier: Selbst lauwarmes Wasser im Speicher enthält noch genug Energie, um die Wärmepumpe effizient arbeiten zu lassen. Dieses Konzept wurde beispielsweise schon bei einigen Sonnenhäusern realisiert.

Variante 5: Latente Wärme nutzen

Latentenergiespeicher machen sich einen physikalischen Umstand zunutze, aufgrund dessen die Wärmekapazität eines Pufferspeichers massiv erhöht wird: Denn nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird sehr viel Energie benötigt oder umgekehrt freigesetzt, wenn ein Medium den Aggregatzustand wechselt. Wer beispielsweise um null Grad kaltes, (noch) flüssiges Wasser in einen gefrorenen Zustand bringen will, muss diesem genau so viel Energie entziehen wie benötigt würde, das Wasser von 80 Grad auf null Grad abzukühlen. Eine Wärmepumpe kann also null Grad kühlem Wasser sehr viel Energie entziehen, bis dieses gefroren ist: Durch Zuführen von Sonnenwärme wird es wieder aufgetaut, so dass die Wärmepumpe erneut Energie entnehmen kann. Der Vorteil: Es kann schon dann Sonnenwärme genutzt werden, wenn die Sonnenstrahlen eher schwach sind, denn es wird keine hohe Vorlauftemperatur, sondern nur eine Temperaturdifferenz benötigt. Solar-Wärmepumpenheizung mit Latenteiswärmespeicher werden derzeit schon in Kleinserie gebaut, sind aber noch recht teuer.

Wärmepumpen sind zwar bisweilen teurer in der Anschaffung als konventionelle Gas- oder Ölheizungen. Dafür lassen sich aber sehr niedrige Heizkosten realisieren – besonders dann, wenn Solarthermie zusätzlich genutzt wird. Foto: Bundesverband Wärmepumpe e.V./Weishaupt

Unzweifelhaft lassen sich mit der Kombination Wärmepumpe und Solarnutzung Häuser sehr kostengünstig und effizient beheizen. Ob sie wirtschaftlich sind, hängt aber immer vom Energiebedarf des Gebäudes und den Anschaffungskosten ab.  So gibt es konventionelle Gas-Brennwertgeräte ab etwa 3.000 Euro. Ölbetriebene Heizungen sind um einige tausend Euro teurer, weil zusätzlich ein Öltank angeschafft werden muss. Werden solche konventionellen Heizungen mit einer Solaranlage ergänzt, fallen – je nach Größe und Auslegung – noch einmal rund 3.000 bis 10.000 Euro zusätzlich an.

Grundsätzlich gilt bei solar unterstützen Heizungen, dass ein möglichst großer Pufferspeicher vorhanden sein sollte – denn nur so lässt sich die Sonnenwärme auch für sonnenarme Zeiten zwischenspeichern. Die Preise für Pufferspeicher mit Wärmetauscher und 1.000 Litern Volumen beginnen bei knapp 1.000 Euro.

Wärmepumpenheizungen sind gewöhnlich teurer als gas- oder ölbetriebene Heizungen: Luftwärmepumpen für ein Einfamilienhaus kosten rund 5.000 bis 12.000 Euro, bei Erd- oder Grundwasserwärmepumpen kommen zusätzlich Kosten für die Erschließung hinzu: Für Horizontalkollektoren müssen Bauherren mit Kosten zwischen 3.000 und 8.000 Euro rechnen, Tiefensonden kosten ab etwa 8.000 bis 20.000 Euro, je nach geologischen Bedingungen. Bei einer Hybridheizung sind zusätzlich die Kosten für die Solaranlage hinzuzurechnen.
Bei allen Heizungsarten kommen noch die Installationskosten hinzu. Daraus folgt, dass eine Hybridheizung mit Wärmepumpe und solarer Unterstützung schnell so viel kosten kann wie ein Mittelklasseauto.

Im Gegenzug profitiert der Hausbesitzer von dauerhaft geringeren Heizkosten: Die Sonnenwärme ist gänzlich kostenfrei: Bei einer Solaranlage, die nicht nur für die Brauchwassererwärmung ausgelegt ist, sondern auch für die Heizungsunterstützung, kann so der Wärmebedarf schon zu rund 20 bis 30 Prozent gedeckt werden. Sind besonders viele Solarpanels installiert und ist der Pufferspeicher ausreichend groß, kann der solare Deckungsgrad auch größer sein. So liegt dieser beispielsweise bei Gebäuden, die nach dem Sonnenhauskonzept errichtet wurden, bei 50 oder noch mehr Prozent.

Wie hoch die laufenden Kosten für die Wärmepumpe sind, hängt von der Auslegung der Anlage und davon ab, ob als Medium Luft, Erwärme oder Grundwasser verwendet werden. Bei letzteren können mit einem Kilowatt Arbeitsenergie rund vier bis fünf Kilowatt Umweltwärme nutzbar gemacht werden. Man spricht dann von einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von vier. Diese kann noch höher liegen, wenn die Sonne die Quelltemperatur für die Wärmepumpe erhöht. So wurde beispielsweise für ein Sonnenhaus im Rahmen eines Forschungsprojekts des Bundesbauministeriums eine JAZ von 10,7 erreicht, berichtet das Sonnenhaus-Institut: Der Stromverbrauch für die Wärmepumpe lag bei nur rund 1.100 Kilowattstunden für ein Jahr – das entspricht Kosten von etwa 300 Euro für die Heizung, wenn man den Strom vom Versorger bezieht. Im genannten Sonnenhaus wurde ein Teil des Stroms jedoch kostengünstig von der eigenen Fotovoltaik-Anlage produziert, so dass die tatsächlichen Heizkosten noch darunter lagen.

Fotovoltaik statt Solarthermie: Solarstrom ist günstig und kann die Energie für den Antrieb der Wärmepumpe liefern. Foto: Grammer Solar/R. Ettl

Eine Wärmepumpe – gleich welcher Art – kann freilich auch mit Solarstrom betrieben werden. Der Nachteil: Letzterer ist im Sommer, wenn nicht geheizt wird, reichlich vorhanden, im Winter allerdings kaum. Demzufolge muss ein nicht unerheblicher Teil des benötigten Stroms für die Wärmepumpe zugekauft werden. Wirtschaftlich ist diese Kombination dann, wenn der eigene Solarstrom günstiger erzeugt wird, als der Strom vom Versorger kostet: Das ist heute allerdings zumeist der Fall. Wer heute eine neue Fotovoltaikanlage auf seinem Dach errichtet, kann im Regelfall von Stromgestehungskosten von weniger als zehn Cent je Kilowattstunde ausgehen, zugekaufter Strom kostet hingegen rund 25 bis 30 Cent. Allerdings gibt es von manchen Energieversorgern für Wärmepumpen Sondertarife, welche den Strom etwas günstiger machen; das Einsparpotenzial ist hier angesichts hoher Steuern und Abgaben für Strom allerdings begrenzt.

Einen besonderen Nutzen hat die Kombination Fotovoltaik und Wärmepumpe im Sommer: Viele Wärmepumpen lassen sich auch umkehren und können als Kältegerät betrieben werden. In diesem Fall fällt der sonnenreiche Sommer mit dem Energiebedarf zusammen und ermöglicht eine umweltfreundliche Klimatisierung des Hauses, zu einem Bruchteil der Kosten, die eine Klimaanlage verursachen würde.